TUTORIAL TEKNIK PENENTUAN SUDUT MATAHARI PADA CITRA SATELIT MENGGUNAKAN SOFTWARE ENVI
KONSEP DASAR
ada konteks penginderaan jauh, khususnya penginderaan jauh dengan platform satelit, sudut matahari merupakan suatu teknik untuk menyatakan posisi relatif matahari terhadap posisi sensor dan permukaan bumi. Dalam teknik pemodelan citra digital, sudut matahari sangat banyak digunakan pada berbagai formulasi, misalnya untuk menghitung irradiance (flux), reflectance, koreksi topografik, hamburan atmosferik, NDVIc (NDVI Correction), pemodelan obyek-obyek fisik permukaan bumi (daun, tajuk/kanopi, partikel tanah, partikel salju), pemodelan topografi 3-Dimensi, penentuan ketinggian obyek (bangunan, pohon, awan), dan sebagainya.
Tutorial ini hanya membahas penentuan sudut matahari untuk kasus citra Nadir-Viewing Sensor (NVS). NVS atau sensor pandangan nadir adalah sensor yang merekam permukaan bumi dengan posisi tegak lurus, sebagaimana kebanyakan citra satelit yang kita gunakan. Di luar NVS masih ada model perekaman lain, misalnya Backward-Viewing Sensor (sensor pandangan belakang), Multi-Angles Viewing Sensor (sensor pandangan jamak) atau model lain.
Untuk kasus citra BVS, MAVS dan sensor dengan model perekaman lain, memerlukan pembahasan tersendiri dan tidak akan dibahas dalam tutorial ini. Lebih jauh lagi, tutorial ini hanya ditujukan untuk citra satelit NVS dengan sistem optik dan termal, sistem microwave (radar), lidar (laser) dan satelit geostasioner semacam GOES dan Meteosat, berada di luar cakupan tutorial ini. Untuk selanjutnya, yang dimaksud dengan citra digital dalam tutorial ini, merujuk kepada citra satelit (non-geostasioner) digital optik dan termal yang direkam oleh sistem NVS.
Contoh-contoh citra NVS adalah: ETM+, ASTER VNIR, SWIR dan TIR (kecuali VNIR Band 3B yang merupakan BVS), Ikonos (pankromatik dan multispektral), Quickbird (pankromatik dan multispektral), MODIS, NOAA, SPOT, dan lain-lain. Contoh-contoh citra non-NVS adalah ASTER Band 3B, MISR, Ikonos Stereo, Quickbird Stereo, SPOT Stereo dan lain-lain.
Dalam penentuan sudut matahari ada beberapa asumsi yang harus dipegang, yaitu: permukaan bumi pada wilayah perekaman (scene) dianggap datar, sensor dianggap sebagai titik, dan matahari dianggap sebagai titik.
Secara umum, sudut matahari dapat dinyatakan dalam tiga parameter berikut:
1. Solar-Azimuth (α), disebut juga arah matahari, yaitu sudut dari titik Utara ke posisi matahari pada bidang horisontal bumi, yang diproyeksikan dari posisi sensor (berlaku seperti jarum kompas). Minimal sudut 00 (Utara) dan maksimal sudut 3600.
2. Solar-Elevation (φ), disebut juga tinggi matahari, yaitu sudut antara bidang horisontal bumi dengan proyeksi matahari pada titik nadir (N). Minimal sudut 00 (matahari tepat berada di horison, yaitu pada saat terbit dan pada saat terbenam), dan maksimal sudut 900 (matahari tegak lurus di atas kepala/nadir). Solar-Elevation akan bernilai negatif pada malam hari (matahari “di bawah” permukaan bumi).
3. Solar-Zenith (θ), disebut juga puncak matahari, yaitu selisih sudut antara sudut pandang sensor (nadir) dengan sudut proyeksi matahari pada titik nadir (N). Solar-Elevation dan Solar-Zenith memiliki hubungan berikut:
Solar-Zenith (θ) = 900 – Solar Elevation (φ)
Penting untuk diperhatikan bahwa simbol-simbol sudut matahari di atas mungkin berbeda untuk setiap buku, sehingga perlu penyesuaian dan membaca keterangan lebih lanjut pada buku yang bersangkutan sebelum formulasi digunakan.
Lebih jelasnya perhatikan gambar berikut:
P
Teknik Penentuan Sudut Matahari Menggunakan ENVI
Secara umum (dengan software apapun), ada beberapa parameter yang wajib diketahui untuk dapat menentukan sudut-sudut matahari pada sebuah citra satelit digital:
• Tahun, bulan, dan tanggal perekaman;
• Jam, menit, dan detik perekaman (waktu GMT, bukan waktu lokal); dan
• Posisi geografis sensor pada saat merekam, yang dinyatakan dalam sistem koordinat geografis (lintang-bujur). Posisi geografis sensor sama dengan titik nadir (N), sama dengan titik tengah scene (scenecenter).
Informasi-informasi di atas pada umumnya dapat dicari pada header citra yang bersangkutan. Selengkapnya, contoh cara untuk mencari informasi di atas ada pada bagian akhir tutorial ini. Penting juga untuk diperhatikan, bahwa sampai dengan ENVI versi 4.3, belum ada tool interaktif untuk perhitungan sudut matahari. ENVI hanya menyediakan fungsi otomatis (yang disebut ENVI Routine) untuk keperluan ini, sehingga proses ini harus dilakukan melalui Command-line IDL. Oleh karenanya, pada waktu instalasi software ENVI ekstensi IDL harus diikutsertakan.
Hanya sebagai contoh, misalkan terdapat suatu citra dengan informasi waktu dan posisi sensor pada saat perekaman sebagai berikut:
• Tanggal: 2006-09-05
• Jam: GMT 02:40:50.9180000
• Posisi sensor: -8.479308 LS dan 115.304359 BT θ θ θ θ φ φφ φ α α α α South East West North N
Optical & Thermal NVS
Untuk format jam dan posisi sensor kita harus menyesuaikan dengan format ENVI Routine untuk perhitungan sudut matahari, yaitu dalam bentuk desimal. Format jam hanya ditulis sampai menit, untuk satuan detik harus dijadikan desimal. Format posisi lintang-bujur untuk menit dan detik harus dijadikan desimal. Selain itu, tanda desimal haruslah berupa titik, bukan koma.
Pada contoh di atas, untuk format jam:
02:40+(50.918/60)=02:40.84863 untuk kemudian ditulis: 0240.84863 ENVI Routine untuk menghitung sudut matahari adalah:
---
variable=envi_compute_sun_angles(Tgl, Bulan, Tahun, Waktu GMT, Lintang, Bujur) print, ‘String’, variable[0]
print, ‘String’, variable[1]
--- ENVI Routine di atas terdiri atas tiga baris perintah, dimana perintah harus dimasukkan baris per baris ke dalam IDL Command-line dan setiap baris diakhiri dengan tombol Enter.
• Perintah pada baris pertama untuk menghitung sudut berdasarkan parameter • Perintah pada baris kedua akan mencetak solar-elevation ke layar
• Perintah pada baris ketiga akan mencetak solar-azimuth ke layar
• Variabel dan string dapat diisi sembarang teks, variabel harus konsisten dengan dua perintah di bawahnya (variable[0] dan variable[1]), dan tidak boleh ada tanda spasi
• Huruf kapital dan huruf kecil tidak berpengaruh (non-case sensitive). Pada contoh citra di atas, maka perintahnya adalah sebagai berikut:
---
sudut=envi_compute_sun_angles(5, 9, 2006, 0240.84863, -8.479308, 115.304359) print, ‘Elevasi matahari :’, sudut[0]
print, ‘Azimut matahari :’, sudut[1]
--- Perhatikan cara pemasukannya pada gambar berikut:
Ingat kembali bahwa perintah ada tiga baris, harus dimasukkan satu per satu dan setiap baris diakhiri dengan Enter. Jika ketiga perintah di atas sudah dijalankan, maka hasilnya adalah sebagai berikut:
Perhatikan output berikut:
--- ENVI> sudut=envi_compute_sun_angles(5, 9, 2006, 0240.84863, -8.479308, 115.304359) Restored file: ENVI_DEM.
ENVI> print, 'Elevasi matahari :', sudut[0] Elevasi matahari : 61.312557
ENVI> print, 'Azimut matahari :', sudut[1] Azimut matahari : 58.007369
--- Berdasarkan output di atas, kita bisa tahu bahwa IDL ENVI hanya menghitung elevasi dan azimut saja (dalam satuan derajat), untuk menentukan zenit kita menggunakan rumus hubungan berikut: Solar-Zenith = 900 – Solar-Elevation = 900 – 61.3125570 = 28.6874430
Dengan demikian diperoleh:
• Solar-Elevation = 61.3125570 • Solar-Azimuth = 58.0073690 • Solar-Zenith = 28.6874430
Notasi sudut-sudut matahari di atas masih dalam bentuk desimal, untuk merubahnya ke dalam bentuk menit dan detik bisa dilakukan secara manual.
Contohnya:
610 + (0.312557x60) = 61018.75342
⇔ 610 + 18’ + (0.75342x60) = 61018’45.2052” ≈ 61018’45” Pada sudut-sudut matahari di atas akan diperoleh:
• Solar-Elevation = 61018’45” • Solar-Azimuth = 58000’27” • Solar-Zenith = 28041’15”
Cara Mendapatkan Informasi Perekaman Citra
Cara untuk mendapatkan informasi perekaman citra berbeda untuk setiap sensor, yang akan dicontohkan berikut hanya untuk ASTER dan Landsat ETM+. Untuk sensor-sensor lainnya silahkan Anda membaca buku manual (handbook)-nya.
Citra ASTER
Jika file citra masih asli, maka informasi tahun, bulan, tanggal, jam, menit dan detik sudah bisa dilihat secara langsung dari nama filenya. Tinggal kita menentukan posisi geografis sensornya. Teknik yang akan dijelaskan berikut adalah untuk mencari informasi-informasi ini selengkapnya, teknik ini hanya bisa dilakukan pada Citra ASTER yang masih asli dan belum mengalami perubahan apapun.
Pada menu utama ENVI klik Basic Tools – Preprocessing – Data-Spesific Utilities – View HDF Global Attributes. Jika ditampilkan kotak dialoh Select Input HDF Filenames, cari dan klik file citra ASTER yang akan dicari informasi headernya, yang diklik adalah file citranya dan bukan file headernya. Perhatikan gambar berikut:
Jika sudah memilih file citranya klik Open, maka akan ditampilkan jendela berikut:
Pada jendela di atas, klik File – Save Text to ASCII, kemudian tentukan lokasi penyimpanan, ketik nama filenya dan klik Open.
Buka file hasil penyimpanan header tersebut dengan menggunakan Notepad. Untuk mencari posisi geografis sensor, pada notepad klik menu Edit – Find, kemudian ketikkan kata kunci: SCENECENTER, lihat hasil yang ditemukan pada gambar berikut:
-8.479308, 115.304359 merupakan posisi geografis sensor, tanda negatif menyatakan posisi Lintang Selatan.
Untuk mencari tanggal dan waktu perekaman, klik kembali menu Edit – Find dan ketikkan kata kunci: SINGLEDATETIME, maka akan ditampilkan hasil sebagai berikut:
Entri di bawah TIMEOFDAY menyatakan waktu perekaman, dan entri di bawah CALENDARDATE menyatakan tanggal perekaman.
Citra Landsat ETM+
Mencari informasi perekaman pada Citra Landsat ETM+ lebih sulit dibandingkan Citra ASTER, khususnya untuk posisi sensor. Dikarenakan informasi yang dibawa oleh Citra ETM+ tidak selengkap Citra ASTER. Untuk informasi tanggal dan waktu perekaman kita bisa melihat langsung dari nama filenya, selama file citranya masih asli. Untuk posisi sensor, penulis belum menemukan cara yang lebih “ilmiah”, jika ada yang mengetahui cara yang lebih mudah harap berikan masukan. Biasanya untuk mendapatkan informasi posisi geografis sensor pada Citra Landsat ETM+, penulis menggunakan trik berikut:
• Posisi geografis sensor sama dengan scenecenter (titik tengah scene)
• Jika satu scene penuh citra Landsat ETM+ memuat 8081 kolom pixel dan 7061 baris pixel, maka logikanya, pixel kolom ke 4041 dan pixel baris ke 3531 merupakan scenecenter
• Buka Citra Landsat ETM+ yang akan dicari posisi tengah scene-nya, kemudian klik kanan pada tampilan citranya dan klik menu Pixel Locator. Pada bagian Sample (kolom) masukkan 4041 dan pada bagian Line (baris) masukkan 3531, ini berlaku untuk semua Citra Landsat ETM+, kemudian klik Apply. Lihat hasilnya pada gambar berikut:
Posisi scenecenter di atas masih dalam bentuk UTM, untuk merubahnya klik Change Proj dan pilih Geographic Lat/Lon, maka akan ditampilkan posisi scenecenter sebagai berikut:
-7.23175288 LS dan 110.01979954 BT merupakan scenecenter (titik tengah scene), yang sama dengan posisi geografis sensor pada saat merekam daerah itu.
